mg inŝ. Jey NOWICKI Wojskoy Instytut echnicny Ubojenia OCENA WYRZYMAŁOŚCI KOMORY SPALANIA SILNIKA RAKIEOWEGO NA PALIWO SAŁE W atykule estaiono analię ytymałości mechanicnej komoy salania silnika akietoego na alio stałe. Poano obciąŝenia na jakie naaŝona jest komoa casie acy silnika akietoego oa iąane nimi naęŝenia ostające ściance komoy. Pestaiono aleŝności na ostaie, któych oblica się te naęŝenia. Poano uoscony sosób saenia ytymałości komoy. W oaciu o tę metoę estaiono ocenę ytymałości komoy salania ocisku akietoego M-1OF. 1. Wstę Silnik ocisku akietoego na alio stałe skłaa się asaie komoy salania, tylnego na ysą oa na eniego łącącego komoę cęścią bojoą ocisku. W komoe umiescany jest łaunek naęoy, elementy ałonu (osyka ochoa, słonka) oa ust. Kous komoy salania aycaj ykonuje się kstałcie cylinycnej uy. Niekiey sotyka się konstukcje innego oaju, jenak ich ykonanie i montaŝ są nacnie tuniejse. Dla konstuktoa silnika akietoego ostaoym oblemem ytymałościoym jest okeślenie gubości ścianki komoy salania. Z jenej stony gubość ścianki oinna być tak obana, aby komoa mogła ytymać naęŝenia ostałe casie acy silnika tj. naę- Ŝenia o ciśnienia gaó (salanie łaunku naęoego) oa naęŝenia temicne ostałe na skutek nageania się ścianki (óŝnicy temeatuy enętnej i enętnej oiechni). Jenoceśnie gubość ścianki oinna być jak najmniejsa, aby aenić minimalną masę silnika, co y yjętej masie łaunku naęoego umoŝliia uyskanie ięksej ękości maksymalnej (asięgu) ocisku. W celu ogoenia tych ymagań (scególnie la silnikó o casie acy oyŝej 1 sekuny) oiechnię enętną komoy okya się astą temoiolacyjną, co ioluje ściankę e iałaniem ysokiej temeatuy i nacne mniejsa naęŝenia cielne. Na skutecność tego oiąania skaują ytocone [1] ane la niemieckiego ocisku ecilotnicego, któego silnik acoał na aliie akietoym o kaloycności około. 850 kcal/kg casie 1,5 sekuny. Ścianka komoy salania tego ocisku ostała okyta oma astami temoiolacji, co ooliło mniejsyć jej gubość o δ = mm i y takiej gubości agaantoać ytymałość komoy na ciśnienie oboce max = 13 MPa. Kontolne salania na hamoni silnikó ocisku be okycia iolacją cielną oooało oyanie się komoy salania. Aby achoać ytymałość komoy salania, teba było oięksyć gubość ścianki ona ukotnie. Py tym masa silnika niemal oajała się, co oaiło o obniŝenia maksymalnej ękości ocisku o 870 90 m/s, ocas gy ocisk iolacją cielną komoy i δ = mm miał V max = 1500 m/s. 99
Ze glęu na okeśloną oyŝej agę otymalnego oiąania e konstuktoa oblemu ytymałości komoy salania silnika akietoego, yaje się celoym estaienie oaju obciąŝeń na jakie naaŝona jest komoa casie acy silnika akietoego i iąanych nimi naęŝeń ostających ściance komoy. Pokaano, któe naęŝenia są najbaiej niebeiecne la komoy, gie na gubości ścianki osiągają maksimum oa cy są to naęŝenia ściskające cy ociągające. Oceniono ilościoo i jakościoo te naęŝenia i na tej ostaie oano oste aleŝności umoŝliiające stęne oblicenie gubości ścianki komoy silnika oa końcoe saenie ytymałości komoy. Na ich ostaie eoaono ocenę ytymałości komoy salania ocisku akietoego M-1OF.. ObciąŜenia komoy salania i iąane nimi naęŝenia ostające ściance komoy Postaoym ytymałościoym elementem komoy salania jest jej uoy kous. W casie acy silnika kous musi ytymać ee systkim obciąŝenia o ciśnienia gaó ostających e salenia łaunku naęoego oa obciąŝenia temicne iąane ysoką temeatuą ełyających łuŝ ścianki gaó. Ocyiście ocas statu akiety na kous iałają takŝe obciąŝenia iąane iałaniem sił bełaności yołanych ysieseniami osioymi oa oecnymi (jeśli akieta stabiliuje się obotoo) akiety. W yaku akiet ysiesenia te są nieielkie, latego atykule ich nie uglęniono. ObciąŜenia te yołują ściance komoy salania okeślony stan naęŝeń uaunkoany iałaniem ciśnienia i temeatuy. W ybliŝeniu moŝna yjąć, Ŝe naęŝenia te są niealeŝne i oatyać je oielnie, a nastęnie okeślić naęŝenia sumaycne jako sumę ooienich (n. omienioych) naęŝeń: = + t (1) gie: t - omienioe naęŝenie sumaycne o ciśnienia i temeatuy, - omienioe naęŝenie skłaoe tylko o ciśnienia, - omienioe naęŝenie skłaoe tylko o temeatuy..1. NaęŜenia o ciśnienia Na kous komoy salania casie acy silnika iała ciśnienie gaó ob. ónomienie ołoŝone na jego oiechni enętnej oa osioa siła ociągająca ostająca na skutek iałania ciśnienia na na komoy (enie i ysoe). Ciśnienie oboce ob. jest ciśnieniem chiloym, natomiast o obliceń ytymałościoych yjmuje się t. ciśnienie oblicenioe obl. ( ys. 1 oa kt 3.1.). Po iałaniem tego obciąŝenia ściance komoy salania ostaje okeślone ole naęŝeń. Roatując ekój oecny i łuŝny komoy (ys. 1) iimy, Ŝe kaŝy unkt ekoju (ola naęŝeń) chaakteyuje się na ogół tema naęŝeniami: omienioym (kieunek omienia), obooym łuŝnym (kieunek ónoległy o osi komoy salania). l (kieunek ostoały o omienia) i 100
Rys. 1. Schemat oblicenioy obciąŝeń i naęŝeń ścianki komoy salania NaęŜenia omienioe oa naęŝenia omienioe na gubości ścianki, omijając ciśnienie atmosfeycne, okeśla się oó, któe są ynikiem oiąania t. aganienia Lame go: = ob. 1 () = ob. 1 + (3) gie: ob. - ciśnienie oboce komoe salania, - omień enętny komoy salania, - omień enętny komoy salania, - omień bieŝący komoy salania. Z oyŝsych oó ynika, Ŝe atość naęŝeń aleŝy o ołoŝenia oatyanego unktu glęem osi komoy salania. Na ich ostaie oa na ostaie obliceń ytymałościoych silnikó akietoych oaonych e autoa moŝna stieić, Ŝe: naęŝenia omienioe są naęŝeniami ściskającymi (atość mniejsa o ea); osiągają maksymalną atość, óną ciśnieniu anującemu komoe salania, na enętnej oiechni komoy: = max ob. i mniejsają się o ea na enętnej ( = ) oiechni komoy. Beglęna atość tych naęŝeń jest ięc stosunkoo nieielka. naęŝenia obooe są ociągające (atość oatnia) e systkich unktach ekoju oecnego komoy; maksymalną atość osiągają one tak jak naęŝenia omienioe na oiechni enętnej ścianki i a e ostem omienia nienacnie maleją (ok. 5 %). NaęŜenia te są nacnie iękse (co najmniej o ą ielkości) niŝ naęŝenia omienioe. Na ykła la silnika o ob. = 3 MPa, = 57,5 mm i = 60 mm naęŝenia te mieniają się o 80 o 768 MPa. 101
NaęŜenia łuŝne l nie aleŝą o omienia i mają atość stałą. NaęŜenia te ostają ekoju oecnym kousu komoy na skutek iałania osioej siły ociągającej. Na komoę amkniętą nem enim i nem tylnym ysą kieunku łuŝnym iałają ie siły: π P1 = ob. - na enie no () π P = ob. ς ob. Fk - na no tylne ysą (5) gie: ς ob. Fk = R - ciąg silnika, ς = 1, 1,6 - sółcynnik ciągu, - ekój kytycny ysy, F k - śenica enętna komoy salania. Na komoę iałają atem kieunku ecinym ie nieóne siły. Onaca to, Ŝe komoa bęie się emiescać i ociągać. Py tym siłą ociągającą jest siła mniejsa iałających sił cyli siła P, aś esuającą óŝnica iałających sił cyli siła ciągu silnika. Po iałaniem siły P oecnym ekoju komoy ostają naęŝenia ynosące: ob. F k P ς ς k = = = ob. (6) π π ( ) ( ) π gie: - śenica enętna komoy salani, - śenica kytycna ysy. k Poónując algebaicne ielkości, i głónym jest naęŝenie obooe ; najmniejsym naęŝenie omienioe iimy, e najięksym naęŝeniem,a najiękse ytęŝenie mateiału komoy y oatyaniu tylko naęŝeń o ciśnienia ystąi na enętnej oiechni komoy... NaęŜenia o temeatuy Pocas acy silnika akietoego ścianki komoy salania nageają się o goących gaó o temeatue ęu 000 500 C. PonieaŜ ścianki nageają się nieónomienie ostają nich naęŝenia cielne. NaęŜenia te, scególnie gy ścianki nie są okyte temoiolacja, naleŝy uglęnić y obliceniach ytymałości komoy. NaęŜenia cielne aleŝą ee systkim o saku temeatuy na ściance silnika oa o geometycnych chaakteystyk oecnego ekoju kousu komoy. Woy na oblicanie tych naęŝeń są nastęujące: 10
E α max = f1 (7) 1 µ E α max = f (8) 1 µ = + (9) gie: E - mouł sęŝystości Younga mateiału ścianki, α - sółcynnik linioej osealności cielnej mateiału ścianki, max - saek temeatuy na gubości ścianki komoy, µ - sółcynnik Poissona, f 1, f - funkcje uglęniające ły geometycnych chaakteystyk ekoju komoy na naęŝenia cielne. Postaoą tunością iąaną obliceniem naęŝeń temicnych jest okeślenie saku temeatuy na gubości ścianki cyli óŝnicy temeatuy enętnej i enętnej oiechni komoy salania. Wymaga to oiąania ónania eonicta cielnego omięy gaem a ścianką yaŝającego aleŝność mięy temeatuą, casem i sółęnymi oatyanego unktu ekoju komoy. NaęŜenia temicne omienioe są ase ujemne (ściskające) yjątkiem enętnej i enętnej oiechni komoy salania gie są óne eu. Wielkość tych naęŝeń jest nieielka. NaęŜenia obooe i łuŝne l osiągają se najiękse ujemne atości na enętnej oiechni komoy (są ściskające) nastęnie okolicach ołoy gubości ścianki naęŝenia te eują się i osiągają na oiechni enętnej atość oatnią (są ociągające)..3. Sumaycne naęŝenia o ciśnienia i temeatuy Sumaycne naęŝenia o ciśnienia i temeatuy oblica się na ostaie ou (1). W liteatue fachoej tuno naleźć ane otycące atości algebaicnych naęŝeń o ciśnienia, a scególnie o temeatuy na gubości ścianki la ecyistego silnika. Dlatego la oceny ilościoej tych naęŝeń oa naęŝeń sumaycnych oano (tabela 1) ane oblicenioe la silnika ytoconego y omaianiu naęŝeń o ciśnienia ( max = 98,3 C - ścianka okyta temoiolacją o gubości 0,5 mm, cas acy silnika τ = 0,6 s.). abela 1 Pomień NaęŜenia omienioe NaęŜenia obooe NaęŜenia łuŝne [mm] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] = 57,5-3,1 0-3,1 +801,7-1,3 +587, -1,3 +83,6 = 58,15-5, -1,5-6,7 +79,8-78, +71,6-79,7 +18, = 57,75-16,5-1,8-18,3 +78,1 +19,3 +803, +97,9 +17,5 +315, = 57,375-8,1-1,1-9, +775,7 +77,9 +853,6 +76,8 +37,7 = 60 0 0 0 +767,6 +96,9 +86,5 +96,9 +39.8 103
3. Ocena ytymałości komoy salania W yaku oatyania ieloosioego stanu naęŝeń la oceny ytymałości komoy salania koysta się ojęcia naęŝenia eukoanego. Pe naęŝenie to oumie się astęce naęŝenie ociągające, któego iałanie anym unkcie yołuje taki sam stan naęŝenia, jak iałanie ecyistych naęŝeń głónych. Do oblicenia koysta się hiotey ytymałościoej Hubea (hiotea enegii okstałcenia ostacioego), co oala na naisanie aunku ytymałościoego la komoy ostaci: = 1 [( ) ( ) ( ) ] + + o. (10) gie: o. - naęŝenia ouscalne la mateiału komoy. W yaku analioanego silnika oblicone naęŝenie eukoane na gubości ścianki okaano tabeli. abela Pomień [mm] = 57,5 = 58,15 = 58,75 = 59,375 = 60 [MPa] 57 65 716 79 750 Z tabeli 1 i ynika, Ŝe y oatyaniu tylko naęŝeń o ciśnienia maksymalne ytęŝenie mateiału komoy ystęuje na enętnej oiechni komoy. Natomiast y uglęnieniu takŝe naęŝeń o temeatuy najbaiej obciąŝona jest oiechnia enętna. 3.1. Paktycne saenie ytymałości komoy salania (gubości ścianki) silnika; oblicenia la ocisku akietoego M-1OF. W ocątkoej faie konstuoania silnika akietoego (na ostaie Z na ocisk) okeśla się jego aamety balistycne (ojekt balistycny) tn. ustala się ciśnienie oboce silnika ob., cas acy silnika, kstałt i ymiay łaunku naęoego oa aamety konstukcyjne tj. śenicę enętną komoy salania i stęną gubość ścianki silnika δ. W aktyce y ojektoaniu silnika akietoego bao tuno jest ocenić ytymałość yjętej komoy salania (gubości ścianki silnika) uglęniając tójosioy stan naęŝeń oa atość naęŝeń cielnych. Dlatego, co takŝe ynika analiy oanych atości naęŝeń (tabela 1 i ) taką ocenę la silnika temoiolacją lub kótkim casem salania łaunku moŝna eoaić nastęujący nacne uoscony sosób: a) oblicenia eoaa się la oiechni enętnej komoy salania; maksymalne ytęŝenie mateiału, b) naęŝenia omienioe aóno o ciśnienia jak i temeatuy na oiechni enętnej komoy się eują, latego naęŝenia te obliceniach omija się, c) naęŝenia obooe o ciśnienia okeśla się yjmując, Ŝe gubość ścianki komoy oónaniu e śenicą jest stosunkoo mała i moŝna ałoŝyć, Ŝe naęŝenie jest stałe na całej gubości ścianki i okłaa się niej ónomienie. W takim yaku oblica się ostej aleŝności: 10
obl. = (11) δ ostaiając amiast ob. t. ciśnienie oblicenioe, któe okeśla się jako: = k k (1) obl. 1 o max( + 50 C) gie: - maksymalne ciśnienie oboce oblicone ciśnienia ónoagi [3] o max( + 50 C) la skajnej oatniej tem. eksloatacyjnej; eguły jest to +50 C, k 1, k - sółcynniki uglęniające toleancję na out ciśnienia la atii oukcyjnej łaunku naęoego oa skok (ik) ciśnienia y ałonie łaunku. ) onieaŝ naęŝenia temicne na oiechni enętnej komoy salania ooują ost naęŝeń obooych o ok. 10%, naęŝenia oblicone ou (11) ięksa się o taką atość i taktuje jako sumaycne naęŝenia obooe o ciśnienia i temeatuy, e) naęŝenia łuŝne l ynaca się uosconego ou (6): = obl R o. max( + 50 C) δ π δ (13) gie: R o max( 50 C) - ciąg maksymalny la skajnej oatniej tem. eksloatacyjnej; eguły jest to +50 C (ooiaający + obl. ), f) onieaŝ naęŝenia temicne na oiechni enętnej komoy salania ooują ost naęŝeń łuŝnych o ok. 30%, naęŝenia oblicone ou (13) ięksa się o taką atość i taktuje jako sumaycne naęŝenia łuŝne o ciśnienia i temeatuy, g) o ynaceniu sumaycnych naęŝeń obooych i łuŝnych saa się ostatecnie aunek ytymałościoy (10), któy la eoych naęŝeń omienioych moŝna aisać ostaci: = + (1) o. Jako naęŝenie ouscalne o. yjmuje się eguły ganicę lastycności mateiału, któego jest ykonana komoa uglęnieniem sółcynnika beieceństa ónego ykle 1,. WaŜne jest ónieŝ, aby uglęnić y okeślaniu mianę (obniŝenie) chaakteystyk ytymałościoych mateiału aleŝności o. o ostu temeatuy ścianki komoy. Peoaone estaiony sosób oblicenia ytymałościoe la silnika ocisku M-1OF tj. la obl. = 0,6 MPa, = 113,5 mm, δ = 3,3 mm, R obl. = 5500 N ały nastęujące yniki: = 335MPa ; = 35,5MPa ; 390MPa = 131MPa ; = 39, 3MPa ; 170MPa 105
= 339MPa Kałub tylny silnika (maksymalne nageanie) ykonany jest e stali stooej 8W13N, la któej ganica lastycności ynosi 850 MPa. W końcu lat osiemiesiątych eoaono baania stacjonane silnikó akietoych yobu M-1OF temostatoanych tem. +50 C omiaem temeatuy tylnej cęści komoy (y ysy). W miejscach umiescenia cujnikó temeatuy usunięto astę temoiolacji na enętnej oiechni komoy ostokątach o ymiaach 0x0 mm. Stieono, e śenia temeatua ścianki silnika ocas jego acy ynosi tych miejscach ś o +600 C. ZałoŜono, Ŝe stal stooa 8W13N bęie miała tej temeatue ganicę lastycności óna ok. 60% jej atości tem. +0 C. Pyjmując sółcynnik beieceństa óny 1, ynacono naęŝenia ouscalne MPa i ostatecnie stieono, Ŝe: o. = 5 = 339MPa < o. = 5MPa Onaca to, e ytymałość komoy salania jest ystacająca, a gubość ścianki ostała obana e nacnym aasem ytymałości, gyŝ y uglęnieniu temoiolacji i aunkach ynamicnych ( locie) temeatua ścianki bęie uŝo niŝsa. Oacoany oaciu o oyŝsą metoę ukła naęoy imitatoa celu oietnego GROM (cas acy 0,6 s., ścianka be temoiolacji) eseł omyślnie baania oligonoe stelaniem, co skauje, Ŝe moŝna ją aktycnie stosoać.. Posumoanie Oblicanie ytymałości komoy salania silnika akietoego na alio stale olega na kolejnym oiąaniu óch ostaoych aań. Piese nich oblicenia balistycne i konstukcyjne soaa się o stęnego okeślenia gubości ścianki komoy, któa la yjętego mateiału komoy oinna abeiecyć ooienim aasem ytymałość komoy na obciąŝenia ostałe o ciśnienia gaó enąt komoy oa obciąŝenia temicne iąane nieónomienym nageaniem się ścianki ocas acy silnika. Py oiąaniu tego aania uglęnia się ykle tylko najiękse iałających naęŝeń cyli naęŝenia obooe o ciśnienia i okeśla się niebęną gubość ścianki ekstałconego ou (11). Ustalenie gubości ścianki oala okeślić masę konstukcji silnika. JeŜeli masa jest byt uŝa naleŝy mienić mateiał na baiej ytymały, eiieć temoiolację komoy lub elicyć otónie balistykę enętną silnika (mniejsyć ciśnienie komoe). Po skoygoaniu gubości ścianki komoy oiąuje się ugie aanie oblicenia ytymałości oblicenia saające, któe eoaa się gonie metoyka oaną kt. 3.1. Py obliceniach ytymałościoych silnika naleŝy uglęnić saek łasności mechanicnych mateiału komoy iąany temeatuą ścianki (mniejsenie naęŝeń ouscalnych). NaleŜy auaŝyć, Ŝe okeślona na ostaie obliceń ytymałościoych gubość ścianki komoy salania jest gubością minimalną, abeiecająca ytymałość komoy o iałających obciąŝeń. W ysunku konstukcyjnym komoy o tej gubości naleŝy oać nastęujące naatki technologicne: - naatek na toleancję ykonania śenicy enętnej i enętnej komoy (toleuje się głąb mateiału), - naatek na óŝnicę gubości ścianki na ługości komoy, któy aktyce ustala się jako oloa toleancji na śenicy. 106
Liteatua [1] W. Kuo, J. DołŜański Zasay ojektoania ociskó akietoych na alio stałe, Wyanicto MON, Wasaa 196. [] J. Noicki Ciśnienie acy siniku akietoym na alio stałe, PU N /00. [3] J. Weiss, S. oecki, S. Majeski Postay teoii i konstukcji silnikó akietoych na alio stałe, WA, Wasaa 1966. [] I. H. Fahutino Rakietnyje igateli tieoo tolia, MASZINOSROJENIE, Moska 1981. [5] J. M. Saio, G. J. Maing, H.E. Puniko Osnoy ojektioanja akiet na tieom toliie, WOJENNOJE IZDAELSWO MINISERSWA OBORONY SSSR, Moska 1968. [6] A. M. Siniuko Balisticeskaja akieta na tieom toliie, WOJENNOJE IZ- DAELSWO MINISERSWA OBORONY SSSR, Moska 197. 107